Elf32_auxv_t

      ==Phrack Inc.==

               Volume 0x0b, Issue 0x3a, Phile #0x05 of 0x0e

[ Armouring the ELF: Binary encryption on the UNIX platform ]
[grugq <[email protected]>, scut <[email protected]> ]



--[ Contents

  - Introduction
  - Why encrypt?
  - What is binary encryption?
  - The threat
  - ELF format
    - ELF headers
    - ELF sections
    - ELF segments
    - ELF support and history
  - ELF loading
    - ELF loading - Linux
    - ELF Linux - auxiliary vectors
    - ELF mapping
  - Binary encryption theory
  - Runtime decryption techniques
  - ELF parasite approach
  - Packing/Userspace ELF loader
  - The future
  - References


--[ Introduction

The UNIX world has lagged far behind the Microsoft world (including 
both
MS-DOS and MS Windows) in the twin realms of binary protection and 
reverse
engineering.

The variety and types of binary protection are a major area of 
difference.
MS Windows PE binaries can be encrypted, packed, wrapped, and 
thoroughly
obfuscated, and then decrypted, unpacked, unwrapped, and reconstructed.

Conversely, the best that can be done to a UNIX ELF binary is 
stripping the
debugging symbol table. There are no deconstructors, no wrappers, no
encrypters, and only a single packer (UPX [12], aimed at decreasing 
disk
space, not increasing protection) for the ELF. Clearly the UNIX ELF 
binary
is naked compared to the powerful protections afforded the Windows PE 
binary
format.

The quantity and quality of reverse engineering tools are other key 
areas
of significant gulf. The runtime environment of the PE binary, and 
indeed
the very operating system it executes on, is at the mercy of the 
brilliant
debugger SoftICE. Meanwhile the running ELF can only be examined one 
word
at a time via the crippled system call ptrace(), imperfectly 
interfaced via
adb and its brain dead cousin: gdb. The procfs, on those systems on 
which
it is present, typically only provides the ability to examine a 
process
rather than control it. Indeed, the UNIX world is an unrealised 
nightmare
for the UNIX reverse engineer. Unrealised because up until now no one 
has
bothered to protect an ELF binary.


--[ Why encrypt?

The prime motivator for protecting files on MS platforms has been to 
enforce
copy protection in a failed attempt to ensure payment for shareware
applications. As of now, there is no such motivation on the UNIX side, 
but
there are other reasons to protect binaries.

From the viewpoint of an attacker the reasons to protect binaries can 
be
listed as:

        - hindering forensic analysis in case of detection
        - hindering copying of confidential data (possibly by other
          attackers or commercially motivated forensic investigators*)
        - adding functionality to the protected binary

From the point of view of a defender, there are also good reasons to
protect binaries. These can be enumerated as

        - adding a level of authorization checks
        - hindering analysis of customised intrusion detection tools 
(tools
          that an attacker might figure out how to evade, were they to
          discover their purpose)
        - adding functionality to the protected binary

The need to protect binaries from analysis in the UNIX world has 
clearly
surfaced.

* Certain big five companies sell their collections of recovered 
exploits
  for an annual fee.


--[ What is binary encryption?

The reasons to protect a binary are clear, now we have to come up with 
a
good design for the protection itself.  When we talk of protecting 
binaries
it is important to know what sort of protection we expect to achieve; 
we
must define our requirements. The requirements for this implementation 
are
as follows:

        - Only authorised individuals may execute the binary.
        - The on disk binary must be immune for all methods of static
          analysis which might reveal anything substantial about the
          purposes/methods of the binary.
        - The process image of the binary, something that 
unfortunately
          cannot be hidden, must obscure the purposes/methods of the
          binary.
        - The mechanism for protecting the binary must be production
          quality, being both robust and reliable.

The best mechanism to fulfill all of these requirements is with some 
form of
encryption. We know enough of what we want that we can now define the 
term
"binary encryption" as the process of protecting a binary from reverse
engineering and analysis, while keeping it intact and executeable to 
the
underlying operating system. Thus, when we talk of binary encryption 
we refer
to a robust security mechanism for protecting binaries.


--[ The threat

Today most of the so called "forensic analysts" have very few tools 
and
knowledge at hand to counter anything more sophisticated than rm, 
strip and 
some uncautious attacker. This has been demostrated in the public 
analysis of
the x2 binary [14]. Two seminal forensic investigators have been 
completely
stumped by a relatively simple binary protection. It is worth 
mentioning
that two private reverse engineers reversed the x2 binary to C source 
code
in approximately one day.

The Unix forensic investigater has an extremely limited range of tools 
at
her disposal for analysis of a compromised machine. These tools tend 
to
be targeted at debugging a misbehaving system, rather than analysing a
compromised system. While locate, find, lsof and netstat are fine when
attempting to keep a production system from falling over, when it 
comes to
investigating a breakin, they fall short on usefulness. Even TCT is 
severly
limited in its capabilities (although that is the subject of another
paper).

If the broad analysis of an entire system is so impaired, binary 
analysis
is even more so. The forensic analyst is equiped with tools designed 
to
debug binaries straight from the back end of an accomidating compiler, 
not
the hostile binaries packaged by a crafty attacker. The list of tools 
is
short, but for completeness presented here: strings, objdump, readelf,
ltrace, strace, and gdb. These tools are all based on two flawed 
interfaces:
libbfd and ptrace(). There are superior tools currently in development,
 but
they are primarily intended for, and used by, Unix reverse engineers 
and
other individuals with "alternative" motivations.

Barring these private reverse engineering applications, no Unix tools 
exist
to tackle sophisticated hostile code. This is because the basic Unix
debugging hooks are very limited. The ubiquitus ptrace() can be easily
subverted and confused, and while /proc interface is more feature rich,
 it is
not uniform across platforms. Additionally the /proc debugging interface
 
typically provides only information about the runtime environment of a
process, not control over its exectuion. Even the most sophisticated 
procfs
need not be of any help to the analyst, if the binary is sufficiently
protected.  

That said, there has been some slight improvement in the quality of 
analysis
tools. The powerful Windows only disassembler - IDA - now provides 
complete
support for the ELF binary format. Indeed, with the latest release IDA 
can
finally handle ELF binaries without a section header table (thanks 
Ilfak).

These improvements in the available tools are meaningless however, 
unless
there is an accompanying increase in knowledge and skill for the 
forensic
analysers.  Given that there are almost no skilled reverse engineers 
in
forensic analysis (based on the published material one could easily 
conclude
that there are none), the hackers will have the upper hand at the 
start of
this arms race.

As the underground world struggles with with the issue of leaking 
exploits
and full vs. non disclusure, more hackers will see binary encryption 
as a
means of securing their intellectual property. Simultaneously the 
security
community is going to be exposed to more encrypted binaries, and will 
have
to learn to analyse a hostile binary.


--[ ELF format

The 'Executeable and Linking Format' is a standardized file format for
executeable code. It is mostly used for executeable files (ET_EXEC) or 
for
shared libraries (ET_DYN). Currently almost all modern Unix variants
support the ELF format for its portability, standardized features and
designed-from-scratch cleaness. The actual version of the ELF standard 
is
1.2. There are multiple documents covering the standard, see [1].

The ELF binary format was designed to meet the requirements of both 
linkers
(typically used during compile time) and loaders (typically used only
during run time). This nessicitated the incorporation of two distinct
interfaces to describe the data contained within the binary file. 
These two
interfaces have no dependancy on each other. This section will act as 
a
brief introduction to both interfaces of the ELF.


--[ ELF headers

An ELF file must contain at a minimum an ELF header. The ELF header
contains information regarding how the contents of the binary file 
should
be interpreted, as well as the locations of the other structures 
describing
the binary. The ELF header starts at offset 0 within the file, and has 
the
following format:

#define EI_NIDENT (16)

typedef struct
{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT];     /* Magic number and other info 
*/
  Elf32_Half    e_type;                 /* Object file type */
  Elf32_Half    e_machine;              /* Architecture */
  Elf32_Word    e_version;              /* Object file version */
  Elf32_Addr    e_entry;                /* Entry point virtual address 
*/
  Elf32_Off     e_phoff;                /* Program header table file 
offset */
  Elf32_Off     e_shoff;                /* Section header table file 
offset */
  Elf32_Word    e_flags;                /* Processor-specific flags */
  Elf32_Half    e_ehsize;               /* ELF header size in bytes */
  Elf32_Half    e_phentsize;            /* Program header table entry 
size */
  Elf32_Half    e_phnum;                /* Program header table entry 
count */
  Elf32_Half    e_shentsize;            /* Section header table entry 
size */
  Elf32_Half    e_shnum;                /* Section header table entry 
count */
  Elf32_Half    e_shstrndx;             /* Section header string table 
index */
} Elf32_Ehdr;

The fields are explained in detail below:

    * e_ident has certain known offsets that contain information about 
how to
      treat and interpret the binary. Be warned that Linux defines 
additional
      indices and values that are not contained in the SysV ABI, and 
are
      therefore non-portable. These are the official known offsets, 
and their
      potential values:

#define EI_MAG0         0               /* File identification byte 0 
index */
#define ELFMAG0         0x7f            /* Magic number byte 0 */

#define EI_MAG1         1               /* File identification byte 1 
index */
#define ELFMAG1         'E'             /* Magic number byte 1 */

#define EI_MAG2         2               /* File identification byte 2 
index */
#define ELFMAG2         'L'             /* Magic number byte 2 */

#define EI_MAG3         3               /* File identification byte 3 
index */
#define ELFMAG3         'F'             /* Magic number byte 3 */

#define EI_CLASS        4               /* File class byte index */
#define ELFCLASSNONE    0               /* Invalid class */
#define ELFCLASS32      1               /* 32-bit objects */
#define ELFCLASS64      2               /* 64-bit objects */

#define EI_DATA         5               /* Data encoding byte index */
#define ELFDATANONE     0               /* Invalid data encoding */
#define ELFDATA2LSB     1               /* 2's complement, little endian
 */
#define ELFDATA2MSB     2               /* 2's complement, big endian 
*/

#define EI_VERSION      6               /* File version byte index */
#define EV_CURRENT      1               /* Value must be EV_CURRENT */


    * e_type describes how the binary is intended to be utilised. The 
following
      are legal values:

#define ET_NONE         0               /* No file type */
#define ET_REL          1               /* Relocatable file */
#define ET_EXEC         2               /* Executable file */
#define ET_DYN          3               /* Shared object file */
#define ET_CORE         4               /* Core file */

    * e_machine indicates for which architecture the object file is
      intended. The following is a short list of the most common 
values:

#define EM_SPARC         2              /* SUN SPARC */
#define EM_386           3              /* Intel 80386 */
#define EM_SPARCV9      43              /* SPARC v9 64-bit */
#define EM_IA_64        50              /* Intel Merced */

    * e_version indicates which version of ELF the object file 
conforms too.
      Currently it must be set to EV_CURRENT, identical to
      e_ident[EI_VERSION].

    * e_entry contains the relative virtual address of the entry point 
to the
      binary. This is traditionally the function _start() which is 
located at
      the start of the .text section (see below). This field only has 
meaning
      for ET_EXEC objects.

    * e_phoff conatins the offset from the start of the file to the 
first
      Program Header (see below). This field is only meaningful in 
ET_EXEC and
      ET_DYN objects.

    * e_shoff contains the offset from the start of the file to the 
first
      Section Header (see below). This field is always useful to the 
reverse
      engineer, but only required on ET_REL files.

    * e_flags contains processor specific flags. This field is not 
used on
      i386 or SPARC systems, so it can be safely ignored.

    * e_ehsize contains the size of the ELF header. This is for error 
checking
      and should be set to sizeof(Elf32_Ehdr).

    * e_phentsize contains the size of a Program Header. This is for 
error
      checking and should be set to sizeof(Elf32_Phdr).

    * e_phnum contains the number of Program headers. The program header
 table
      is an array of Elf32_Phdr with e_phnum elements.

    * e_shentsize contains the size of a Section Header. This is for 
error
      checking and should be set to sizeof(Elf32_Shdr).

    * e_shnum contains the number of Section headers. The section header
 table
      is an array of Elf32_Shdr with e_shnum elements.

    * e_shstrndx contains the index within the section header table of 
the
      section containing the string table of section names (see below).



The following two sections describe in detail the linking interface 
and the
execution interface to the ELF, respectively.


--[ ELF Sections

The interface used when linking multiple object files together is the 
Section
interface. The binary file is viewed as an collection of sections; 
each an
array of bytes of which no byte may reside in more than one secion. 
The
contents of a section may be interpreted in any way by the inspecting
application, although there is helper information to enable an 
application
to correctly interpret a section's contents. Each section is described 
by a
section header, contained within a section header table typically 
located
at the end of the object. The section header table is an array of 
section
headers in arbitrary order, although usually in the same order as they
appear in the file, with the only exeption being that the zeroeth 
entry is
the NULL section: a section which is set to 0 and doesn't describe any 
part
of the binary. Each section header has the following format:

typedef struct
{
  Elf32_Word    sh_name;                /* Section name (string tbl 
index) */
  Elf32_Word    sh_type;                /* Section type */
  Elf32_Word    sh_flags;               /* Section flags */
  Elf32_Addr    sh_addr;                /* Section virtual addr at 
execution */
  Elf32_Off     sh_offset;              /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;                /* Section size in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;                /* Link to another section */
  Elf32_Word    sh_info;                /* Additional section 
information */
  Elf32_Word    sh_addralign;           /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;             /* Entry size if section holds 
table */
} Elf32_Shdr;

The fields of the section header have the following meanings:

    * sh_name contains an index into the section contents of the 
e_shstrndx
      string table. This index is the start of a null terminated 
string to
      be used as the name of the section. There are reserved names, 
the
      most important being:
        .text       Executable object code
        .rodata     Read only strings
        .data       Initialised "static" data
        .bss        Zero initialized "static" data, and the
                base of the heap

    * sh_type contains the section type, helping the inspecting 
application
      to determine how to interpret the sections contents. The 
following
      are legal values:

#define SHT_NULL         0              /* Section header table entry 
unused */
#define SHT_PROGBITS     1              /* Program data */
#define SHT_SYMTAB       2              /* Symbol table */
#define SHT_STRTAB       3              /* String table */
#define SHT_RELA         4              /* Relocation entries with 
addends */
#define SHT_HASH         5              /* Symbol hash table */
#define SHT_DYNAMIC      6              /* Dynamic linking information 
*/
#define SHT_NOTE         7              /* Notes */
#define SHT_NOBITS       8              /* Program space with no data 
(bss) */
#define SHT_REL          9              /* Relocation entries, no 
addends */
#define SHT_SHLIB        10             /* Reserved */
#define SHT_DYNSYM       11             /* Dynamic linker symbol table 
*/


    * sh_flags contains a bitmap defining how the contents of the 
section
      are to be treated at run time. Any bitwise OR'd value of the
      following is legal:

#define SHF_WRITE       (1 << 0)        /* Writable */
#define SHF_ALLOC       (1 << 1)        /* Occupies memory during 
execution */
#define SHF_EXECINSTR   (1 << 2)        /* Executable */


    * sh_addr contains the relative virtual address of the section 
during
      runtime.

    * sh_offset contains the offset from the start of the file to the 
first
      byte of the section.

    * sh_size contains the size in bytes of the section.

    * sh_link is used to link associated sections together. This is
      typically used to link a string table to a section whose 
contents
      require a string table for correct intepretation, e.g. symbol 
tables.

    * sh_info is a used to contain extra information to aid in link
      editing. This field has exactly two uses, indicating which section
 a
      relocation applies to for SHT_REL[A] sections, and holding the
      maximum number of elements plus one within a symbol table.

    * sh_addralign contains the alignment requirement of section 
contents,
      typically 0/1 (both meaning no alignment) or 4.

    * sh_entsize, if the section holds a table, contains the size of 
each
      element. Used for error checking.


--[ ELF Segments

The ELF segment interface is used to during the creation of a process
image. Each segment, a contiguous stream of bytes, (not to be confused 
with
a memory segment, i.e. one page) is described by a program header. The
program headers are contained in a program header table described by 
the
ELF header. This table can be located anywhere, but is typically 
located
immediately after the ELF header *. The program header is now 
described in
depth:

typedef struct
{
  Elf32_Word    p_type;         /* Segment type */
  Elf32_Off p_offset;       /* Segment file offset */
  Elf32_Addr    p_vaddr;        /* Segment virtual address */
  Elf32_Addr    p_paddr;        /* Segment physical address */
  Elf32_Word    p_filesz;       /* Segment size in file */
  Elf32_Word    p_memsz;        /* Segment size in memory */
  Elf32_Word    p_flags;        /* Segment flags */
  Elf32_Word    p_align;        /* Segment alignment */
} Elf32_Phdr;

The fields have the following meanings:

    * p_type describes how to treat the contents of a segment. The
      following are legal values:

#define PT_NULL         0               /* Program header table entry 
unused */
#define PT_LOAD         1               /* Loadable program segment */
#define PT_DYNAMIC      2               /* Dynamic linking information 
*/
#define PT_INTERP       3               /* Program interpreter */
#define PT_NOTE         4               /* Auxiliary information */
#define PT_SHLIB        5               /* Reserved */
#define PT_PHDR         6               /* Entry for header table itself
 */

    * p_offset contains the offset within the file of the first byte 
of the
      segment.

    * p_vaddr contains the realtive virtual address the segment 
expects to
      be loaded into memory at.

    * p_paddr contains the physical address of the segment expects to 
be
      loaded into memory at. This field has no meaning unless the 
hardware
      supports and requires this information. Typically this field is 
set to
      either 0 or the same value as p_vaddr.

    * p_filesz contains the size in bytes of the segment within the 
file.

    * p_memsz contains the size in bytes of the segment once loaded 
into
      memory. If the segment has a larger p_memsz than p_filesz, the
      remaining space is initialised to 0. This is the mechanism used 
to
      create the .bss during program loading.

    * p_flags contains the memory protection flags for the segment 
once
      loaded. Any bit wise OR'd combination of following are legal 
values:

#define PF_X            (1 << 0)        /* Segment is executable */
#define PF_W            (1 << 1)        /* Segment is writable */
#define PF_R            (1 << 2)        /* Segment is readable */

    * p_align contains the alignment for the segment in memory. If the
      segment is of type PT_LOAD, then the alignment will be the 
expected
      page size.

* FreeBSD's dynamic linker requires the program header table to be 
located 
within the first page (4096 bytes) of the binary.


--[ ELF format - support and history

The ELF format has widely gained acceptance as a reliable and mature
executeable format. It is flexible, being able to support different
architectures, 32 and 64 bit alike, without compromising too much of 
its
design.

As of now, the following systems support the ELF format:

        DGUX             | ELF, ?, ?
        FreeBSD          | ELF, 32/64 bit, little/big endian
        IRIX             | ELF, 64 bit, big endian
        Linux            | ELF, 32/64 bit, little/big endian
        NetBSD           | ELF, 32/64 bit, little/big endian
        Solaris          | ELF, 32/64 bit, little/big endian
        UnixWare         | ELF, 32 bit, little endian

The 32/64 bit differences on a single system is due to different
architectures the operating systems is able to run on.


--[ ELF loading

An ELF binary is loaded by mapping all PT_LOAD segments into memory at 
the
correct locations (p_vaddr), the binary is checked for library 
dependancies
and if they exist those libraries are loaded. Finally, any relocations 
that
need to be done are performed, and control is transfered to the main
executable's entry point. The accompanying code in load.c demonstrates 
one
method of doing this (based on the GNU dynamic linker).


--[ ELF loading - Linux

Once the userspace receives control, we have this situation:

        - All PT_LOAD segments of the binary, or if its dynamicly 
linked:
          the dynamic linker, are mapped properly
        - Entry point: In case there is a PT_INTERP segment, the 
program
          counter is set to the entry point of the program interpreter.

        - Entry point: In case there is no PT_INTERP segment, the 
program
          counter is initialized to the ELF header's entry point.
        - The top of the stack is initialized with important data, see
          below.

When the userspace receives control, the stack layout has a fixed 
format.
The rough order is this:

       <arguments> <environ> <auxv> <string data>

The detailed layout, assuming IA32 architecture, is this (Linux kernel
series 2.2/2.4):

  position            content                     size (bytes) + 
comment
  
------------------------------------------------------------------------

  stack pointer ->  [ argc = number of args ]     4
                    [ argv[0] (pointer) ]         4   (program name)
                    [ argv[1] (pointer) ]         4
                    [ argv[..] (pointer) ]        4 * x
                    [ argv[n - 1] (pointer) ]     4
                    [ argv[n] (pointer) ]         4   (= NULL)

                    [ envp[0] (pointer) ]         4
                    [ envp[1] (pointer) ]         4
                    [ envp[..] (pointer) ]        4
                    [ envp[term] (pointer) ]      4   (= NULL)

                    [ auxv[0] (Elf32_auxv_t) ]    8
                    [ auxv[1] (Elf32_auxv_t) ]    8
                    [ auxv[..] (Elf32_auxv_t) ]   8
                    [ auxv[term] (Elf32_auxv_t) ] 8   (= AT_NULL 
vector)

                    [ padding ]                   0 - 16

                    [ argument ASCIIZ strings ]   >= 0
                    [ environment ASCIIZ str. ]   >= 0

  (0xbffffffc)      [ end marker ]                4   (= NULL)

  (0xc0000000)      < top of stack >              0   (virtual)
  
------------------------------------------------------------------------


When the runtime linker (rtld) has done its duty of mapping and 
resolving
all the required libraries and symbols, it does some initialization 
work
and hands over the control to the real program entry point afterwards. 
As
this happens, the conditions are:

        - All required libraries mapped from 0x40000000 on
        - All CPU registers set to zero, except the stack pointer 
($sp) and
          the program counter ($eip/$ip or $pc). The ABI may specify
          further initial values, the i386 ABI requires that %edx is set
 to
          the address of the DT_FINI function.


--[ ELF loading - auxiliary vectors (Elf32_auxv_t).

The stack initialization is somewhat familar for a C programmer, since 
he
knows the argc, argv and environment pointers from the parameters of 
his
'main' function. It gets called by the C compiler support code with 
exactly
this parameters:

    main (argc, &argv[0], &envp[0]);

However, what is more of a mystery, and usually not discussed at all, 
is
the array of 'Elf32_auxv_t' vectors. The structure is defined in the 
elf.h
include file:

typedef struct
{
        int a_type;                     /* Entry type */
        union
        {
                long int a_val;         /* Integer value */
                void *a_ptr;            /* Pointer value */
                void (*a_fcn) (void);   /* Function pointer value */
        } a_un;
} Elf32_auxv_t;

It is a generic type-to-value relationship structure used to transfer 
very important data from kernelspace to userspace. The array is initialized 
on any successful execution, but normally it is used only by the program
interpreter. Lets take a look on the 'a_type' values, which define 
what kind of data the structure contains. The types are found in the 'elf.
h' file, and although each architecture implementing the ELF standard is
free to define them, there are a lot of similarities among them. The
following list is from a Linux 2.4 kernel.


/* Legal values for a_type (entry type).  */
#define AT_NULL         0               /* End of vector */
#define AT_IGNORE       1               /* Entry should be ignored */
#define AT_EXECFD       2               /* File descriptor of program 
*/
#define AT_PHDR         3               /* Program headers for program 
*/
#define AT_PHENT        4               /* Size of program header 
entry */
#define AT_PHNUM        5               /* Number of program headers 
*/
#define AT_PAGESZ       6               /* System page size */
#define AT_BASE         7               /* Base address of interpreter 
*/
#define AT_FLAGS        8               /* Flags */
#define AT_ENTRY        9               /* Entry point of program */
#define AT_NOTELF       10              /* Program is not ELF */
#define AT_UID          11              /* Real uid */
#define AT_EUID         12              /* Effective uid */
#define AT_GID          13              /* Real gid */
#define AT_EGID         14              /* Effective gid */
#define AT_CLKTCK       17              /* Frequency of times() */

Some types are mandatory for the runtime dynamic linker, while some 
are
merely candy and remain unused. Also, the kernel does not have to use 
every
type, infact, the order and occurance of the elements are subject to 
change
across different kernel versions. This turns out to be important when
writing our own userspace ELF loader, since the runtime dynamic linker 
may
expect a certain format, or even worse, the headers we receive by the
kernel ourselves are in different order on different systems (Linux 2.
2 to
2.4 changed behaviour, for example). Anyway, if we stick to a few 
simple
rules when parsing and setting up the headers, few things can go wrong:


        - Always skip sizeof(Elf32_auxv_t) bytes at a time
        - Skip any unknown AT_* type
        - Ignore AT_IGNORE types
        - Stop processing only at AT_NULL vector

On Linux, the runtime linker requires the following Elf32_auxv_t
structures:

        AT_PHDR, a pointer to the program headers of the executeable
        AT_PHENT, set to 'e_phentsize' element of the ELF header 
(constant)
        AT_PHNUM, number of program headers, 'e_phnum' from ELF header
        AT_PAGESZ, set to constant 'PAGE_SIZE' (4096 on x86)
        AT_ENTRY, real entry point of the executeable (from ELF 
header)

On other architectures there are similar requirements for very 
important
auxiliary vectors, with which the runtime linker would not be able to 
work.

Some further details about the way Linux starts up an executeable can 
be
found at [11].


--[ Binary encryption theory

There is nothing new about encrypting binaries, indeed since the 
1980's
there have been various mechanisms developed for protecting binaries 
on
personal computers. The most active developers of binary protections 
have
been virus writers and shareware developers. While these techniques 
have
evolved with advances in processing power and operating system 
architecture,
most of the basic concepts remain the same. Essentially a plaintext
decryption engine will execute first and it will decrypt the next 
encrypted
section of code, this might be the main .text, or it might be another
decryption engine.

Barring a flawed and easily cracked encryption technique (e.g. XOR 
with a
fixed value), the first plaintext decryptor is the usually the weak 
point of
any encrypted binary. Due to this weakness, a number of various 
methods have
been developed for making the initial decryption engine as difficult 
to
reverse engineer as possible.

The following is just a brief list of methods that have been used to
protect the initial decryption engine:

    * Self Modifying Code: Code which alters itself during run time, 
so that
      analysis of the binary file on disk is different from analysis 
of the
      memory image.

    * Polymorphic Engines: Creates a unique decryption engine each 
time it is
      used so that it is more difficult to compare two files. Also, it 
is
      slightly more difficult to reverse engineer.

    * Anti-Disassembling/Debugging tricks: Tricks which attempt to 
confuse
      the tools being used by the reverse engineer. This makes it 
difficult
      for the analyst to discover what the object code is doing.


The following is a short list of encryption methods that have been 
used to
protect the main object code of the executable:

    * XOR: The favourite of any aspiring hacker, xor is frequently 
used to
      obfuscate code with a simple encryption. These are usually very 
easily
      broken, but extend slightly the time it takes to reverse 
engineer.

    * Stream Ciphers: Ideal for binary encryption, these are usually 
strong,
      small and can decrypt an arbitray number of bytes. A binary 
properly
      encrypted with a stream cipher is impregnable to analysis.

    * Block Ciphers: These are more awkward to use for binary 
encryption
      because of the block alignment requirements.

    * Virtual CPUs: A painstaking and powerful method of securing a 
binary.
      The object code actually runs on a virual CPU that needs to be
      independantly analysed first. Very painful for a reverse 
engineer (and
      also the developer).

There are even mechanisms to keep the plaintext as safe as possible in
memory. Here is a partial list of some of these mechanisms:

   * Running Line Code: This is when only the code immediately needed 
is
     decrypted, and then encrypted again after use. CPU intensive, but
     extremely difficult to analyse.

   * Proprietary Binary Formats: If the object code is stored in an 
unknown
     format, it is quite difficult for the reverse engineer to determine
 what
     is data and what is text.


--[ Runtime encryption techniques

--[ The virus approach

Adding code to an ELF executeable is far from being new. There have 
been
known ELF viruses since about 1997, and Silvio was the first to 
publish
about it [2], [3].

One nasty property about the ELF format is its "easy loading" design
goal. The program headers and the associated segments map directly 
into the
memory, speeding up the preparation of the executeable when executing 
it.
The way its implemented in the ELF format makes it difficult to change 
the
file layout after linking. To add code or to modify the basic 
structure
becomes nearly impossible, since a lot of hardcoded values cannot be
adjusted without knowing the pre-linking information, such as 
relocation
information, symbols, section headers and the like. But most of such
information is either gone in the binary or incomplete.

Even with such information, modifying the structure of the ELF
executeable is difficult (without using a sophisticated library such 
as
libbfd). For an in-depth discussion about reducing the pain when 
modifying
shared libraries with most of the symbol information intact, klog has
written an article about it [4].

Because of this difficulties, most attempts in the past have focused 
on
exploiting 'gaps' within the ELF binary, that get mapped into memory 
when
loading it, but remain unused. Such areas are needed to align the memory
 on
pages. As mentioned earlier, ELF has been designed for fast loading, 
and
this alignment in the file guarantees a one-to-one mapping of the file 
into
the memory. Also, as we will see below, this alignment allows easy
implementation of page-wise granularity for read, write and execution
permission.

So the 'usual' ELF virus searches through the host executeable for 
such
gaps, and in case a sufficient large area has been found it writes a 
copy
of itself into it. Afterwards it redirects the execution flow of the
program to its own area, often by just modifying the program entry point
 in
the ELF header. There have been numerous examples for such viruses, 
most
notable the 'VIT' [5] and 'Brundle-Fly' [6] virii.

While this approach works moderatly well in practice, it cannot infect
every ET_EXEC ELF executeable. The page size (PAGE_SIZE) on a UNIX 
system
is often 4096, and since the padding can take up at max a whole page, 
the
chances of finding a possible gap is dependant on the virus size and 
the
host executeable. An average virus of the above type takes about 2000 
bytes
and hence can infect only about 50 percent of all executeables. While 
for
virii this adds some non-deterministic fun and does not really matter, 
for
reliable binary encryption this approach has serious drawbacks.

However, there have been mad people using this approach for basic 
binary
encryption purposes. The program which does this is called dacryfile. 
There
is a demonstration copy of dacryfile* available from [7]. Dacryfile uses
 a
data injected parasite to perform the run time decryption of the host 
file.
While dacryfile is undocumented, a limited amount of information is 
provided
here for the curious.

Dacryfile is a collection of tools which implement the following 
concept.
The host file is encrypted from the start of the .text section, to the 
end
of the .text segment. The file now has its object code and its read 
only
data protected by encryption, while all its data and dynamic objects 
are
open to inspection. The host file is injected with a parasite that 
will
perform the runtime decryption. This parasite can be of arbitrary size
because it is appended to the end of the .data segment. 

The default link map of a gcc produced Linux ELF has the .dynamic 
section
as the last prior to the .bss section. The .dynamic section is an 
array of
Elf32_Dyn structures, terminated by a NULL struct tag. Therefore, 
regardless
of how big the .dynamic section, processing of its contents will halt 
when
the terminating Elf32_Dyn struct is encountered. A parasite can be 
injected
at the end of the section without damaging the host file in any way. 
The
dacryfile program "inject" appends the .text section from a parasite 
object
file onto the .dynamic section of a host binary.

The parasite itself is fairly simple, utilising the subversive dynamic
linking Linux library to access libc functions, and rc4 to decrypt the 
host.

The dacryfile collection is unsupported and undocumented, it and all 
other
first generation binary encryptors, are a dead end. However, a 
dacryfile
protected binary will be extremely immune from the recent pitiful 
attempts
at reverse engineering by the forensic experts. Provided the 
encryption
passphrase remains secret, and is strong enough to withstand a brute 
force
attack, a dacryfile protect binary will keep is its object code or 
read-only
data secure from examination. The dynamic string table will still be
available, but that will provide limited information about the 
functionality
of the binary.

Also included with the article is a stripped down but functional 
loader of
the burneye runtime encryption program. It is commented and should 
work
just fine.

* dacryphilia is a fetish in which one gains sexual arousal through 
the
  tears of one's partner.


--[ Packing/Userspace ELF loader

The most flexible approach to wrap an executeable has been invented by 
the
developers of the UPX packer [12], by John Reiser to be exact :). They 
load
the binary in userspace, much like the kernel does it. When done 
properly
there is no visible change in behaviour to the wrapped program, while 
it
has no constrains on either the wrapper or the wrapped executeable, as 
the
techniques mentioned before have. So this is the way we want to 
encrypt
binaries, by loading them from userspace.

Normally the kernel is responsible for loading the ELF executeable 
into
memory, setting page permissions and allocating storage. Then it 
passes
control to the code in the executeable.

On todays system this is not fully true anymore. The kernel still does 
a
lot of initial work, but then interacts with a userspace runtime 
linker
(rtld) to resolve libraries dependancies, symbols and linking 
preparations.
Only after the rtld has done the whole backstage work, control is passed
 to
the real programs entry point. The program finds itself in a healthy
environment with all library symbols resolved, well prepared memory 
layout
and a carefully watching runtime linker in the background.

In normal system use this is a very hidden operation and since it 
works
so smooth nobody really cares. But as we are going to write a 
userspace ELF
loader, we have to mess with the details. To get a rough impression, 
just
write a simple "hello world" program in C, compile it, and instead of 
just
running it, do a strace on it. Ever wondered what happens as so many
syscalls are issued by your one-line executeable?

This is the runtime linker in action, trying to resolve your 'printf'
symbol after it mapped the entire C library into memory and prepared 
the
page permissions.

A lot of interesting details about the history of linkers and program
loading can be found in [8].


--[ The future

Forensic work on binary executeables will become very difficult, and 
most
of the people who do forensics nowadays will drop out of the field. 
Most
likely some people from the reverse engineering 'scene' will convert 
more
to network security and become forensics.

There are promising approaches to incorporating decompilation and
data/code flow analysis techniques into binary encryption to implement
further protections against tampering, analyzing and deprotecting such
binaries.

The strength of the next protections will rely on the missing debug
interfaces on most UNIX's, that are able to deal with hostile code. 
The
generation of protections that come afterwards will rely solely on 
their
sophisticated obfuscation approaches to deny attempts of static and
dead-listing type of analysis.

There are approaches to replace the overtaxed ptrace interface [9] 
with
more powerful debug interfaces that can deal with hostile code. Also 
work
on kernel space debuggers has been done, such as the Pice debugger 
[10].

Aside from poor debugging tools and bad debugging hooks, the only 
thing
that can be used to armour the run time binary is heavy obfuscation 
that
will make it harder for a reverse engineer to see what is actually 
going
on. You have to remember that a reverse engineer can see each atomic
operation that is performed, as well as what is going on in memory (i.
e.
change variables, new mmaps, read()s, etc. etc. If this is to be 
defeated,
they need to be swamped with information. They need to be so bady off 
that
they cry about each time they have to restart their debuggers!


--[ References

  [1] Tool Interface Standard, Executeable and Linking Format, Version 
1.2
      http://segfault.net/~scut/cpu/generic/TIS-ELF_v1.2.pdf

      http://www.caldera.com/developers/gabi/latest/contents.html
      http://www.caldera.com/developers/devspecs/gabi41.pdf

      additional per-architecture information is available from
      http://www.caldera.com/developers/devspecs/

  [2] Silvio Cesare, Unix viruses
      http://www.big.net.au/~silvio/unix-viruses.txt

  [3] Silvio Cesare, Unix ELF parasites and virus
      http://www.big.net.au/~silvio/elf-pv.txt

  [4] klog, Phrack #56 article 9, Backdooring binary objects
      http://www.phrack.org/show.php?p=56&a=9

  [5] Silvio Cesare, The 'VIT' virus
      http://www.big.net.au/~silvio/vit.html

  [6] Konrad Rieck, Konrad Kretschmer
      'Brundle-Fly', a good-natured Linux ELF virus
      http://www.roqe.org/brundle-fly/

  [7] The grugq, dacryfile binary encryptor
      http://hcunix.7350.org/grugq/src/dacryfile.tgz

  [8] John R. Levine, Linkers & Loaders
      ISBN 1-55860-496-0

  [9] Linux ptrace man page (see if you can catch the three errors)
      http://www.die.net/doc/linux/man/man2/ptrace.2.html

 [10] PrivateICE Linux system level symbolic source debugger
      http://pice.sourceforge.net/

 [11] Konstantin Boldyshev, Startup state of Linux/i386 ELF binary
      http://linuxassembly.org/startup.html

 [12] UPX, the Ultimate Packer for eXecutables
      http://upx.sourceforge.net/

 [13] GNU binutils
      ftp://ftp.gnu.org
 
 [14] Forensic analysis of a burneye protected binary
      http://www.incidents.org/papers/ssh_exploit.pdf
      http://staff.washington.edu/dittrich/misc/ssh-analysis.txt
 
 [15] The grugq, Subversive Dynamic Linking
      http://hcunix.7350.org/grugq/doc/subversivedl.pdf
發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章